套筒型金属减振器型谱建设研究与实践

刘阚元、石少仿、李昊宇、丁洋、赵爽、姜志国 /北京强度环境研究所

套筒型金属减振器具有良好的三方向减振隔冲效果，部分产品在随机振动试验中减振效率可达70%以上，在冲击响应谱试验中隔冲效率可达90%以上，可以为设备提供可靠的防护。金属减振器全部结构由耐锈蚀金属制成，同时具有在真空中不挥发、耐高低温、耐腐蚀、抗辐射等优点，已经成为各类新型导弹武器、运载火箭、飞船卫星、飞机、舰船等搭载的电子设备或敏感单机的主要防护单元。

由于套筒型金属减振器适用范围广，环境条件和技术指标差异性较大，迫使承制单位采用“一对一”定制开发模式，开发效率、成本以及通用性等距离产品化要求存在较大差距。随着客户对减振产品认可度的提升，定制开发模式使减振产品发展遇到瓶颈。

为适应日益拓展的应用领域及市场短平快需求的挑战，面对宇航任务高可靠、高要求的单套生产和武器任务批量化、多样化、稳定生产的不同组织模式，以及通用化、系列化和组合化战略要求，将客户需求分级分类，保留定制化的研发生产方式，同时将套筒型金属减振器型谱化，为客户提供两种选择是解决目前供需矛盾的一个有效手段。

一、型谱建立需求分析

1.减振原理

套筒型金属减振器通常安装在被减振设备上，由螺钉将金属减振器和被减振设备整体安装到振源基座上。当基座传递来振动能量时，金属减振器通过金属减振垫的变形和其金属丝之间相互摩擦耗散设备的振动能量，使传递到被减振设备的能量降低，达到保护被减振设备的作用，属于被动隔振。减振基本原理如图1 所示。

图1 金属减振器减振的基本原理图

安装金属减振器的设备和振源组成的系统的运动微分方程为：

其中，m 为设备的质量、x为设备的位移、x为振源的位移、k 和c 分别为金属减振器的刚度和阻尼。

上式可写为：两边进行拉氏变换（设初始条件为零），可得：

因而，该系统的传递函数为：

可得设备受到的振动的功率谱密度与振源，即振动试验中振动条件的功率谱密度的关系如下：

因此，只要根据设备的质量和安装方式等选择适合的金属减振器，即可做到使设备所受振动的总均方根值小于振动条件中的总均方根值，从而实现减振。

2.技术发展趋势分析

国外从20 世纪70 年代开始钢丝绳、钢丝网和粘弹性材料的新型被动式减振器，半主动液压型开关式减振器及主动控制的减振器的研究工作，以取代老式的橡胶或弹簧隔振器。国内目前在小型电子设备领域仍以传统橡胶减振器的应用为主导，往往是在设备进行仿真校核或随整机进行地面试验的过程中发现设备振动量级较大，存在超过电子元器件抗振量级阀值的风险，进而选用橡胶减振垫进行防护，在经过试验未产生问题后便一直延续应用，并未根据单机产品的实际使用环境要求综合考虑减振器的选择，如高低温循环、腐蚀性环境、设备接地等要求。

国外同类型军用产品由于技术封锁等方面的原因难以获得真实有效的技术参数和指标。对比分析国内的小型电子设备领域，在军方对贮存期和环境适应性要求不断提高的大环境下，全金属减振器仍有广阔的市场需求和应用前景。

3.现有产品状态分析

金属减振器配套设备具有种类繁杂、多代共存、产品来源多的特点，各类设施设备的技术成熟程度、产品资源积累程度甚至同一种产品功能和结构的一致性程度等都有不同。因此，应采用统计、分析、归纳的方法，按照全面、协调和可持续发展的基本原则进行型谱建设。

对现有配套武器型号的套筒型金属减振器进行梳理，共梳理出常用的6 个系列套筒型金属减振器，共包含95 个型号（见表1），主要在连接接口、外形尺寸、承载能力以及刚度等设计技术参数中存在一定差异性，但也存在相似性和重复性。

表1 现有产品状态统计表

二、型谱建立方案

1.结构形式

套筒型金属减振器由2 个金属减振垫、1 个限位套筒、1 个限位垫片、2 个钢套组成，如图2 所示。

图2 套筒型金属减振器基本结构及安装示意

金属减振垫作为弹性阻尼元件，是用特定的工艺方法将一定质量的、呈螺旋状态的金属丝经拉伸展开并有序地排放在冲压模具中，然后用冷冲压的方法成型的一种功能性网状隔振材料。限位套筒、限位垫片、钢套为机械加工零件，其中限位套筒和限位垫片提供支撑和限位，钢套提供对外安装接口，同时提供横向支撑，使减振器具备三方向的减振能力。

2.识别特征参数

金属减振垫是提供刚度和阻尼的减振功能元件，也决定了金属减振器的外形尺寸、承载能力、刚度范围等核心参数。结合客户选用要求，确定安装螺钉的规格作为第一特征参数，将安装接口尺寸（孔和板厚）作为第二特征参数，将外形尺寸作为第三特征参数，将刚度作为第四特征参数。第一、二、三特征参数由金属减振垫的尺寸决定，第四特征参数刚度在继承现有型号的基础上进行梯度布局。

3.构建产品树

按照套筒型金属减振器产品型谱特征参数的重要程度，逐级划分产品树层次，如图3 所示。

图3 套筒型金属减振器产品树示意图

4.编制代号

套筒型金属减振器型谱产品代号由型式代号、螺钉代号、刚度特性、结构序列4 个部分组成（见图4）。

图4 型号标记

型式代号表示产品类型、特性的汉语拼音首字母，以3 位大写字母表示，代号TSJ 分别为套筒型、丝网、军品级减振器的拼音首字母。

螺钉代号表示安装螺钉的代号，以大写字母M和2 位阿拉伯数字表示。其中，M 代表螺纹形式，2 位阿拉伯数字代表螺纹规格，如M04。

刚度特性表示产品刚度，以2～3 位阿拉伯数字表示，如刚度2×10N/m 代号为02。

结构序列表示产品结构型式的设计序列，目前非全包覆、非自锁的常规结构型式的序列代号为1。

5.确定技术参数及接口参数

根据统计与分析，将技术参数存在重叠、接口参数相近的型号进行合并和优化，按照梯度布局补充新型号。经整合，产品型号由近百种下降至19种（见表2）。

表2 套筒型金属减振器技术参数与接口参数统计表

6.确定统一的考核条件

（1）静刚度考核条件

金属减振垫是金属减振器实现减振隔冲功能的核心元件，制定统一的测量方法进行静刚度测量，采用加载力控制，要求金属减振垫在目标加载力下变形，要求变形在偏差范围内，可以控制批次产品性能的一致性。

（2）动刚度考核条件

金属减振器在运载、武器型号的整星、惯组、平台、导引头以及多类电子仪器设备上均有配套经历，其中在电子设备上优势更明显、需求量更大。据统计，电子设备筛选用随机振动试验条件（GJB150.16A）是客户提出的重合度最高的一个试验条件，选取此条件作为型谱产品统一的考核条件（见表3）。

表3 随机振动试验条件

三、产品质量与性能控制

1.外观检查要求

采用目视法进行外观检查，要求金属减振垫表面应无飞丝、线头，金属结构件表面应光滑、无裂纹、无腐蚀和其它机械损伤，每批次产品全样进行外观检查，不符合要求则剔除废品。

2.批次性能控制

每批次金属减振垫全样进行静刚度测量，在力—位移曲线上读取金属减振垫的变形量，通过变形量来检查减振垫批次性能的一致性。

静刚度测量合格后，每批次金属减振器按照特定比例随机抽取产品进行随机振动试验，系统第一阶谐振频率满足表2 要求即认为合格。若有任何一项性能指标不符合要求，则应以加倍数量的金属减振器进行第二次试验，在第二次试验中，如仍有不符合要求的，则该批金属减振器认定为不合格。经振动试验后的金属减振器，不允许作为成品交付。

3.制造工艺与质量控制

TSJ 系列金属减振器所用原材料在武器型号选用目录内，通过统一订购并进行复验，提供复验证明。

TSJ 系列金属减振器以同批次丝材和棒材、同班次连续生产的产品为一批，每批产品数量控制在限值内。

金金属减振垫制备需包含：金属减振垫由金属橡胶材料构成，其是用一定的工艺方法，将一定质量的、拉伸开的螺旋状态的金属丝有序地排放在冲压或碾模具中，然后用冷冲或者碾制的方法成型。其内部结构是金属丝相互交错形成的空间网状结构，这种结构非常类似橡胶高分子结构并具有橡胶一样的弹性。金属减振垫的加工和测试设备的精度应控制在要求范围内。

TSJ 系列金属减振器采用军品质量管理方式，生产全过程质量受控，质量记录及各项测试、产品合格证、产品质量履历书填写内容全面、完整、正确，签署完整，可供追溯。

4.试验充分性

套筒型金属减振器在型谱化建立过程中，制定了统一的模具管理办法、加工工艺方法和检测方法，有统一形式的模拟配重，全部重新进行了力学试验，包括轴向静刚度测量、极限位移试验、过载试验、低量级随机振动试验、高量级随机振动试验、冲击试验，试验结果满足设计要求。针对武器型号应用环境，进行了环境适应性试验，包括高低温试验、湿热试验、盐雾试验、砂尘试验、霉菌试验，试验结果满足设计要求，试验充分（见表4）。

表4 试验充分性分析表

四、产品选用控制

TSJ 系列金属减振器采取滚动生产模式，根据市场调研情况确定各型号产品的库存基数，库存少于基数即启动投产流程，使型谱产品实现货架化。

研究所编制并出版了TSJ 系列金属减振器产品选型手册，包括减振器原理、选型流程、完备的产品接口参数与性能参数、典型应用案例等，为客户选型提供参考。同时，也分配了专职技术人员提供技术支持。TSJ 系列金属减振器的选型基本流程如图5 所示。

图5 选型基本流程

建立TSJ 系列金属减振器型谱，对于保证型号成功、降低成本和缩减周期有着积极作用，研究所与客户实现了双赢。研究所可以实现初步的项目分级，整合技术资源，将技术人员从重复工作中解脱出来，使其有更多的时间从事新产品研制工作、丰富减振降噪产品线，促进减振缓冲技术的发展；形成货架产品，实现了销售量和销售额的突破，为规模化发展奠定了基础。在新产品设计阶段，客户可以直接应用型谱产品的性能参数，进行理论计算与仿真分析，直接预留出减振器安装接口；在产品试验阶段，出现问题可以快速拿到减振器进行验证试验。TSJ 系列金属减振器推广2 年来，研究所在不断为客户解决实际问题的同时收到客户更多的期待，如将支座型减振器型谱化、将自锁形式套筒型减振器型谱化等，后续研究所将以本次实践为基础继续型谱化建设工作。